CoFe₂O₄ 양자점: PI3K/AKT 조절을 통한 비소세포폐암의 이중 광열/광역학 치료 및 세포사멸 유도

요약

비소세포폐암(NSCLC)은 전 세계에서 두 번째로 많이 진단되는 악성 종양입니다. 암 치료 전략 개발을 위한 나노물질 연구의 일환으로, 본 연구에서는 우수한 시너지 광열/광역학 특성을 가진 새로운 CoFe₂O₄ 양자점(QDs)을 구축했습니다. 이 나노물질은 명백한 독성 없이 NSCLC를 효율적으로 억제했습니다. CoFe₂O₄-QDs와 근적외선(NIR) 조사 병용이 NSCLC 세포의 세포사멸을 유도함을 보였습니다. 또한 이 병용 치료가 PI3K/AKT 경로 조절을 통해 활성산소종(ROS) 생성을 촉진해 세포사를 유발함을 확인했습니다. 나아가 생체 내 실험에서 CoFe₂O₄-QDs + NIR 치료가 종양 이식편을 성공적으로 제거하면서 명백한 독성 효과 없이 안전함을 입증했습니다. 종합적으로, 새로운 나노물질 CoFe₂O₄-QDs가 독성 없이 NSCLC 살상에 향상된 시너지 광열 치료(PTT)와 광역학 치료(PDT) 효과를 나타내 NSCLC 치료용 유망한 광감작제가 될 수 있음을 보고합니다.

서론

암은 사망 원인 1위이며 개인과 사회에 막대한 부담을 줍니다. 이 중 폐암은 2020년 기준 두 번째로 많이 진단되는 암이자 암 관련 사망 1위입니다[1, 2]. 비소세포폐암(NSCLC)은 전체 폐암의 약 85%를 차지하며 높은 발생률과 사망률이 특징입니다[3, 4]. 최근 수술적 옵션 외에도 화학요법이나 면역요법 개발에 큰 노력이 기울여지고 있습니다. 예를 들어 EGFR 돌연변이 억제제와 KRAS 억제제가 효과적임이 입증되었으며, 새로운 ALK 억제제도 개발 중입니다[5-9]. 항-PDL1, 항-CTLA4 등 면역관문 억제제도 유망한 효과와 생존 연장 혜택을 보입니다[10-12]. 그러나 환자별 약물 반응률이 다르고, 특히 약물 내성 등 부작용을 간과할 수 없습니다[13, 14]. 따라서 침습성이 적은 새로운 치료 전략 개발이 NSCLC 연구와 임상 치료에 긴급하고 필수적입니다.

최근 나노물질을 이용한 광열 치료(PTT)와 광역학 치료(PDT)가 항암 전략으로서 큰 주목을 받으며 크게 발전했습니다[15-18]. 나노물질 기반 PTT와 PDT는 침습성이 적고 독성이 낮으며 약물 내성 유발 가능성이 적습니다[19-23]. 빛(주로 NIR)과 협력해 국소화된 나노물질이 종양 내 온도를 높이고 산소를 세포독성 ROS로 전환해 세포사를 유도함으로써 종양을 제거합니다[24]. 여기서 나노물질은 효능과 안전성을 좌우하는 핵심 역할을 합니다. 금속 나노구조[25], 탄소 기반 물질[26, 27], 고분자 나노입자(PNPs)[28], 반도체 화합물[29] 등 다양한 나노물질이 연구되었으나 각기 한계가 있습니다. 예컨대 탄소 기반 물질은 비용이 많이 들고 현탁 특성이 불만족스러워 대규모 응용과 임상 잠재력을 제한합니다. 따라서 더 적합한 나노물질 개발을 위한 더 많은 시도가 필요합니다.

최근 양자점(QDs)은 우수한 생체 적합성, 용해도, 무엇보다 뛰어난 광안정성과 용이한 표면 기능화 특성 덕분에 생물의학 응용에서 큰 주목을 받고 있습니다[30-33]. 이러한 특성을 활용해 여러 연구에서 QDs를 새로운 PDT 시약으로 사용하거나 다른 생체분자와 결합해 암 치료에서 PDT 효능을 높이는 시도가 있었습니다. 예를 들어 Meng 등은 이광자 여기로 PDT 효능을 높인 다기능 GQD@MnO₂를 보고했습니다[34]. Kuo 등은 아민 분자로 기능화한 질소 도핑 QDs로 PDT 효율을 높였습니다[35]. 이러한 흥미로운 발견에 영감을 받아, 본 연구에서는 비귀금속 기반 나노물질과 결합한 새로운 QDs를 개발해 한 나노시스템에서 PTT/PDT 시너지 효과를 얻고자 했습니다. 예를 들어 Co 기반 나노물질은 잘 연구된 비귀금속 나노물질로 종양 치료나 영상용 PTT 제제로 알려져 있습니다[36]. 따라서 Co 기반 QDs 설계가 향상된 PTT/PDT 시너지 효과를 가져올 것으로 제안했습니다.

본 연구에서는 수열 합성법으로 새로운 나노물질 CoFe₂O₄-QDs를 합성했으며, 이것이 독성 없이 in vitro 및 in vivo에서 NSCLC 살상에 향상된 PTT/PDT 시너지 효과를 나타내 NSCLC 치료용 유망한 광감작제가 될 수 있음을 보였습니다.

재료 및 방법

CoFe₂O₄-QDs 합성

CoFe₂O₄-QDs는 수열법으로 합성했습니다. 전형적으로 CoCl₂·6H₂O 0.238 g과 Fe(NO₃)₃·9H₂O 0.808 g을 물 10 mL와 프로필렌 글리콜 10 mL 혼합 용매에 녹여 10분간 교반했습니다. 이후 디트라놀 아민 4 mL를 방울방울 첨가하고 30분간 교반했습니다. 얻은 슬러리를 50 mL 스테인리스 테플론 라이닝 오토클레이브에 옮기고 160°C에서 3시간 가열했습니다. 8500 rpm으로 10분 원심분리 후 탈염수와 에탄올로 순차 세척해 CoFe₂O₄-QDs를 수득했습니다. 사용된 시약과 재료는 Table 1에 정리했습니다.

CoFe₂O₄-QDs 특성 분석

제조된 CoFe₂O₄-QDs의 형태와 크기는 TEM과 EDS 시스템으로, 결정 구조는 Cu Kα 방사선(λ = 0.15406 nm)을 장착한 X선 회절계(Bruker, Germany)로 분석했습니다. 흡수 스펙트럼은 SHIMADZU UV-2600 분광광도계로, 원소 화가 상태는 X선 광전자 분광(XPS, VG ESCALAB 220I-XL, USA)으로 측정했습니다. 열화상 이미지는 적외선 열화상 카메라(FLIR E50, USA)로 기록했습니다.

세포 배양

NSCLC 세포주 NCI-H460(H460), A549와 인간 탯줄 정맥 내피세포(HUVECs)를 ATCC에서 구입해 마이코플라즈마 음성 확인 후 사용했습니다. H460과 A549는 10% 태아소혈청(FBS)과 1% 페니실린-스트렙토마이신(Gibco)을 첨가한 RPMI-1640 배지에서, HUVECs는 내피세포 배양액(Sigma, #211-500)에서 배양했습니다. 모든 세포는 37°C, 5% CO₂, 어두운 습도 조건에서 배양했습니다.

세포독성 검출

CoFe₂O₄-QDs의 다양한 작업 농도(0.1, 0.5, 1.0, 2.0 mg/mL)를 HUVECs와 24시간 공동 배양했습니다. 배양 후 배지를 교체하고 CCK-8 시약을 각 웰에 첨가해 1시간 배양했습니다. EnSpire™ 멀티모드 플레이트 리더로 450 nm에서 흡광도를 측정했습니다. 대조군 HUVECs의 세포 생존율을 100%로 설정했습니다.

세포사멸 분석

H460과 A549 세포(2 × 10⁵)를 6웰 플레이트에 하룻밤 배양한 후 1.0 mg/mL CoFe₂O₄-QDs와 808 nm NIR 레이저로 5분간 처리했습니다. 세포를 세척한 후 Annexin-V/PI 세포사멸 키트(BD; #556547)로 제조사 지침에 따라 염색했습니다. HUVECs 세포사멸 분석도 동일 조건에서 다양한 농도의 CoFe₂O₄-QDs로 수행했습니다. 세포사멸 비율은 위와 같은 방법으로 결정했습니다.

세포 내 ROS 검출

H460과 A549 세포를 6웰 플레이트에 하룻밤 배양한 후 1.0 mg/mL CoFe₂O₄-QDs로 1시간 처리하고 808 nm NIR 레이저로 5분 조사했습니다. 처리 후 DCFH-DA를 첨가해 30분 배양한 뒤 FACS로 검출했습니다(여기/방출 485 nm/535 nm). ROS 억제 분석을 위해 NAC(Sigma; A7250)를 제조사 지침에 따라 첨가했습니다. 데이터는 Flow-jo 소프트웨어로 추가 정량화했습니다.

웨스턴 블롯 분석

H460과 A549 세포를 세포사멸 분석과 동일하게 처리하고, RIPA 용해 완충액으로 전체 세포 단백질을 추출했습니다. 웨스턴 블롯 분석은 선행 연구 방법[37]대로 수행했습니다. 사용된 항체는 다음과 같습니다: 토끼 다클론 항-Bcl-2(abcam; ab59348), 토끼 단클론 항-Bax(abcam; ab32503), 토끼 다클론 항-P-PI3K(Bio-Vision; 3152-100), 토끼 단클론 항-P-AKT-S473(CST; 4060S), 토끼 단클론 항-β-Actin(CST; 4970S), 항-토끼 IgG HRP 결합 항체(CST; 7074S). 정량화는 Image-J 소프트웨어로 수행했습니다.

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용 치료의 생체 내 항-NSCLC 효과 연구

CoFe₂O₄-QDs의 종양 살상 능력을 확인하기 위해 H460 세포를 50% MatriGel과 함께 NSG 쥐(N = 8/group)에 피하 이식했습니다. 4-6주령 수컷 M-NSG 쥐(Shanghai Model Organisms, #NM-NSG-001)를 모든 생체 내 실험에 사용했습니다. 종양이 육안으로 관찰되고 부피가 약 5 mm × 5 mm에 도달하면 쥐를 무작위로 네 그룹(대조군, NIR 단독, CoFe₂O₄-QDs 단독, CoFe₂O₄-QDs + NIR)으로 나눴습니다. CoFe₂O₄-QDs 단독 및 병용 그룹에는 종양 내 주사로 CoFe₂O₄ 50 μL(5.0 mg/kg, 선행 연구[37] 기반)를, 대조군과 NIR 그룹에는 PBS 50 μL를 주사했습니다. 주사 후 NIR 808 nm 레이저(1 W/cm²)를 NIR 및 병용 그룹에 10분간 조사했으며, 적외선 열화상 장비로 모니터링했습니다. 종양 부피는 매일 기록하고 공식 V = 길이 × 너비²/2로 계산했습니다. 남은 쥐의 종양 이식편 직경이 거의 15 mm에 도달하면 희생하고 종양을 촬영해 보관했습니다. 모든 동물 실험과 프로토콜은 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)와 북경대학교 심천병원 동물복지위원회 승인을 받았습니다.

H&E 및 면역조직화학 염색 분석

병리 평가를 위해 각 그룹에서 치료 1일 후 종양 이식편(N = 3)을 수확해 10% 완충 포르말린에 고정하고 파라핀 포매 후 H&E 염색과 IHC 검출을 수행했습니다. 생체 내 독성 평가를 위해 쥐의 신장, 간, 폐, 심장, 비장을 적출해 병리 평가를 실시했습니다. IHC 염색에는 항-Ki67 항체(Abcam; ab15580)를 사용했습니다. IHC 양성 영역 정량화는 Fiji 소프트웨어로 수행했습니다.

통계 분석

모든 실험에서 "N"은 도범례에 표시된 반복 횟수 또는 사용된 쥐 수를 나타냅니다. Student's t-검정 또는 일원분산분석(ANOVA)으로 통계적 비교를 수행했습니다. P < 0.05를 통계적 유의성으로 간주하며 "ns"는 비유의함을 나타냅니다. P < 0.05, P < 0.01, P < 0.001은 각각 "*", "**", "***"로 표시했습니다. 데이터는 GraphPad Prism 5로 분석했습니다.

결과

새로운 CoFe₂O₄-QDs의 특성

저비용이고 수행이 간단한 수열법으로 CoFe₂O₄-QDs를 구축했습니다. Fig. 1a의 TEM 이미지에서 평균 직경 약 3.4 nm(Fig. 1b)의 균일하고 안정한 패턴을 확인했습니다. 제조된 CoFe₂O₄-QDs는 암갈색(Fig. 1b inset)이며 물에 우수한 용해도를 보였습니다. 고해상도 TEM 이미지(Fig. 1c)에서 (222) 격자 간격이 약 0.242 nm로 CoFe₂O₄-QDs의 결정 매개변수와 일치했습니다[38, 39]. 원소 스펙트럼(Fig. 1d)은 Co와 Fe 원소 성분을 확인했으며, Co와 Fe의 원자 비율이 약 1:2였습니다. 이 데이터는 후속 연구를 위한 CoFe₂O₄-QDs의 성공적 구축을 입증합니다.

CoFe₂O₄-QDs 제조 및 특성 분석. a 대표 TEM 이미지(척도 막대 20 nm). b 크기 전체 분석(평균 직경 3.4 nm). 인셋: CoFe₂O₄-QDs 현탁액 사진. c 나노결정 격자 무늬(HRTEM, 척도 막대 2 nm). d Co, Fe, O의 균일한 분포를 보인 원소 맵

CoFe₂O₄-QDs의 물리적 특성 검출

제조된 CoFe₂O₄-QDs의 물리적 특성을 결정하기 위해 여러 검출을 수행했습니다. NIR 흡수 테스트에서 CoFe₂O₄-QDs는 농도 의존적으로 적절한 광열 변환을 보였고 온도 증가분(ΔT)은 0.3~18.9°C로 조절 가능했습니다(Fig. 2a). 또한 1.0 mg/mL 농도에서 NIR 조사 출력을 0.5~2.0 W/cm²로 증가시키자 ΔT가 0.8~24.3°C로 조절되었습니다(Fig. 2b). 이는 CoFe₂O₄-QDs의 광열 변환 성능이 농도와 조사 출력에 의존함을 시사합니다. 또한 주기적 조사로 CoFe₂O₄-QDs 유도 광열 변환의 안정성을 확인했습니다(Fig. 2c). 계산된 광-열 변환 효율은 7.18%(Fig. 2d)로, PDT 효과를 강화하기에 충분했습니다. 더불어 CoFe₂O₄-QDs가 흡수 가능한 최장 파장은 약 808 nm였습니다(Fig. 2e, f). 종합하면 CoFe₂O₄-QDs가 유망한 PTT/PDT 시너지 제제로 개발될 수 있음을 보여줍니다.

CoFe₂O₄-QDs 특성 평가. a 다양한 농도에서 광열 변환(가열 곡선). b 다양한 출력 밀도(0.5~2.0 W/cm²)에서 조사 에너지 의존성. c 4회 가열-냉각 연속 조사(1.0 W/cm²)에서 안정한 광열 변환. d 광열 변환 효율. e, f CoFe₂O₄-QDs의 파장-흡광도 관계

정상 세포에 대한 CoFe₂O₄-QDs의 세포독성 평가

나노입자가 약물 전달체나 종양 치료 매개체로 널리 사용되므로, 특히 인간 혈관 상피세포에 대한 CoFe₂O₄-QDs의 세포독성 확인은 필수적입니다. 앞서 결과에서 다양한 농도(0.1, 0.5, 1.0, 2.0 mg/mL)의 CoFe₂O₄-QDs를 테스트했습니다. HUVECs(정상 인간 상피세포주)와 공동 배양 후 CCK-8 시약으로 세포 생존율을 측정했습니다. 대조군 대비 명백한 세포독성은 관찰되지 않았습니다(Fig. 3a). 동일한 조건에서 세포사멸 분석을 추가 수행해 일관된 결과를 확인했습니다(Fig. 3b). 세포사멸 비율 정량화 결과 대조군 대비 유의미한 차이가 없었습니다(Fig. 3c). 이 데이터는 CoFe₂O₄-QDs가 정상 세포에 명백한 독성 효과가 없음을 보여주며, 약물 전달 매개체로 사용될 잠재력을 시사합니다.

CoFe₂O₄-QDs의 정상 세포 대상 세포독성 in vitro 평가. a 다양한 농도에서 HUVECs CCK-8 세포 생존율 분석(대조군 100%, 평균 ± SD, N=3). b HUVECs 세포사멸 FACS 검출(대표 이미지, N=3). c 세포사멸 비율 정량화(대조군 대비 비유의, 평균 ± SD)

NIR과 CoFe₂O₄-QDs 병용에 의한 NSCLC 세포사멸 유도

CoFe₂O₄-QDs의 잠재적 NSCLC 살상 능력을 확인하기 위해 808 nm NIR 레이저 조사와 CoFe₂O₄-QDs 배양을 in vitro에서 병용했습니다. 처리 후 세포사멸 분석을 수행한 결과, H460과 A549 세포 모두에서 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 레이저 병용군에서 공격적인 세포사멸률을 보였습니다(Fig. 4a, b). 정량화 결과 대조군 대비 유의미한 차이가 있었으나, CoFe₂O₄-QDs 단독 또는 NIR 단독 그룹은 차이가 없어 CoFe₂O₄-QDs + NIR이 항-NSCLC 효과를 유도함을 입증했습니다(Fig. 4a, b). Bcl-2/Bax 단백질 수준 변화가 세포사멸 진행 여부를 결정하는 중요한 지표임은 잘 알려져 있습니다[40]. 이에 따라 처리 후 H460과 A549 세포에서 Bcl-2와 Bax 단백질 수준을 측정했습니다(Fig. 4c, d). 예상대로 Bcl-2/Bax 비율이 감소했으며, 이는 미토콘드리아 매개 세포사멸의 표지입니다. 따라서 CoFe₂O₄-QDs + NIR이 미토콘드리아 매개 세포사멸 경로 활성화를 통해 항-NSCLC 효과를 나타냄을 제시합니다.

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용의 NSCLC 세포사멸 유도 in vitro. a, b H460과 A549 NSCLC를 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 레이저로 5분 처리. Annexin-V 염색 및 FACS로 세포사멸 세포 평가(정량화 포함, 평균 ± SD, N=3. **P < 0.01 vs 대조, NIR, CoFe₂O₄ 그룹). c, d NCI-H460과 A549 NSCLC 처리 후 Bcl-2와 Bax 단백질 수준 웨스턴 블롯 분석(대표 이미지, β-Actin으로 보정한 정량화, 평균 ± SD, N=3. *P < 0.05 vs 대조, NIR, CoFe₂O₄ 그룹)

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용에 의한 PI3K/AKT 경로를 통한 ROS 생성 유도

미토콘드리아 기능 장애는 ROS 생성을 상향 조절해 NSCLC에서 세포사를 유발합니다. 이 맥락에서 CoFe₂O₄-QDs + NIR 처리 후 H460과 A549 세포에서 ROS 검출을 수행했습니다. 결과는 병용 그룹에서 막대한 ROS 방출을 보여 향상된 PDT 효과가 CoFe₂O₄-QDs에 의해 유도될 수 있음을 입증했습니다(낮은 광열 변환 효율에도 불구하고, 추가 파일 1: Fig. S1A, B). 또한 PI3K/AKT 신호 경로 관련 단백질 수준도 감소해 ROS 변화가 PI3K/AKT 경로에 의해 조절되어 Bcl-2/Bax 단백질 발현 수준 변화를 초래함을 시사했습니다(Fig. 4c, d, 추가 파일 1: Fig. S1C, D). 이를 확인하기 위해 ROS 억제제 NAC를 첨가해 현상을 역전시켰습니다(Fig. 5a, b). NAC 처리 후 PI3K/AKT 발현이 회복됨으로써 CoFe₂O₄-QDs + NIR 처리 후 ROS 방출이 PI3K/AKT 경로에 의해 조절됨을 추가 확인했습니다(Fig. 5c, d). 이 발견은 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용이 미토콘드리아 기능 장애(ROS) 의존적 세포사멸을 유도해 NSCLC 세포 살상에 시너지 PTT/PDT 효과를 가져옴을 강력히 뒷받침합니다.

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용이 PI3K/AKT 경로 조절을 통해 ROS 생성을 유도. a, b NCI-H460과 A549 NSCLC를 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 레이저로 NAC 유무 하 5분 처리. FACS로 ROS 레벨 검출 및 평균 형광 강도 정량화(평균 ± SD, N=3. **P < 0.01). c, d P-PI3K와 P-AKT 단백질 수준 웨스턴 블롯 분석(대표 이미지, N=3)

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용의 생체 내 항-NSCLC 평가

in vitro 결과를 바탕으로 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용 치료의 NSCLC 종양 이식 생쥐 모델에서 항-NSCLC 효과를 조사했습니다. M-NSG 쥐에 H460 세포를 피하 이식한 후 CoFe₂O₄-QDs를 종양 내 주사하고 NIR 레이저 조사 시 열화상 장비 모니터링 하 종양 내부 온도가 급격히 약 56°C까지 상승했습니다(Fig. 6a, b). 병리 염색 결과 병용 그룹에서 광범위한 괴사 영역이 관찰돼 종양 세포사가 종양 제거로 이어짐을 입증했습니다(Fig. 6c, d). 추가 IHC 염색에서 Ki-67 양성 영역이 병용 치료 후 다른 그룹 대비 공격적으로 감소해 처리된 종양 이식편이 더 이상 증식할 수 없음을 보여줬습니다(추가 파일 2: Fig. S2A, B). CoFe₂O₄-QDs와 NIR 치료 후 12일간 추적 관찰한 결과, 예상대로 다른 그룹에서 종양 이식편의 크기와 체중이 현저히 증가했으나 병용 치료 그룹에서는 증가하지 않았습니다(Fig. 6e, f). 이는 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용 치료가 생체 내 종양 이식편을 완전히 제거할 수 있음을 뒷받침합니다. CoFe₂O₄-QDs의 세포독성 효과에 관해, 관찰 기간 동안 주요 장기 병리 분석 결과 명백한 부작용은 검출되지 않았습니다(추가 파일 2: Fig. S2C). 위 데이터는 CoFe₂O₄-QDs가 NSCLC 치료용 새로운 PTT/PDT 시약으로 개발될 수 있음을 강력히 입증합니다.

CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용 치료의 생체 내 종양 살상 평가. a NCI-H460 종양 이식 M-NSG 쥐의 대표 적외선 열화상 이미지. b NIR 조사 하 종양 이식편 내부 온도 상승 곡선. c 치료 1일 후 각 그룹 H&E 병리 염색 사진(병용 그룹에서 명백한 괴사 관찰, 대표 이미지, N=3). d 쥐 희생 후 각 그룹 이식편 사진(N=5). e, f 각 그룹 종양 이식편 성장 곡선과 무게(평균 ± SD, N=5. ***P < 0.001)

고찰

최근 항-NSCLC 전략 개발 연구가 괄목할 진전을 이뤘습니다. 특정 돌연변이 종양유전자 중독 NSCLC를 표적하는 정밀의학과 면역관문 차단 요법 모두 임상 치료에서 유망한 미래를 제시합니다[41, 42]. 그러나 종양 미세환경의 복잡성과 이질성, 종양 항원 상실의 잠재적 위험으로 인해 면역 회피 상태에 따른 약물 내성률을 낮추는 것이 병목으로 남아 단기간에 종양 재발을 초래합니다. 따라서 NSCLC 치료를 위한 새로운 치료법이나 매개체 탐색이 시급합니다. 새로운 접근법 중 나노물질이 효과적인 암 살상 제제로 주목받고 있습니다. 작은 크기, 좋은 생체 적합성, 열전달 능력 등을 활용해 여러 나노물질이 최근 연구에서 우수한 암 살상 능력을 보였습니다[43].

본 연구에서는 시너지 PTT/PDT 효과로 종양 세포 세포사멸을 유도해 NSCLC 치료에 적용 가능한 새로운 CoFe₂O₄-QDs를 개발했습니다. 다른 나노물질처럼 CoFe₂O₄-QDs는 정상 세포와 주요 장기에 명백한 독성이 없는 우수한 생체 적합성을 보였습니다. 열전달율이 다른 나노물질만큼 높지는 않으나, NIR 레이저 활성화 하 암 세포 세포사멸 유도에 충분했습니다. CoFe₂O₄-QDs는 본 연구에서 빛 흡수와 좋은 선형 관계를 보이며 NIR 레이저 병용 시 잠재적으로 ROS를 생성해 유리한 광감작제로서 작용할 수 있음을 추가 입증했습니다. 향후 구조 최적화나 열감성 원소 도입으로 더 높은 열전달율을 달성해 더 나은 시너지 PTT/PDT 효과를 기대할 수 있습니다[44, 45]. 또한 CoFe₂O₄-QDs 표면에 화학 약물이나 항체를 결합하는 것도 가능해 더 우수한 살상 효율을 가져올 수 있습니다. 예컨데 항-PDL1이나 항-CTLA4 항체를 CoFe₂O₄-QDs에 연결하는 접근법은 종양 내 면역 억제 미세환경을 깨는 유망한 병용 요법이 될 수 있으며, 이는 CoFe₂O₄-QDs를 충분히 활용하기 위한 다음 연구 관심사입니다.

또한 본 연구에서 CoFe₂O₄-QDs의 NSCLC 살상 메커니즘도 규명했습니다. CoFe₂O₄-QDs가 NIR 레이저 활성화 후 시너지 PDT/PTT 효과로 ROS 분비를 유도해 주로 NSCLC 세포사멸을 유발함을 확인했습니다. 과도한 ROS 생성은 종양 세포의 산화 스트레스를 유발하고 직접 DNA 손상을 일으켜 하류 신호 경로를 활성화하고 종양 세포사를 유도합니다[46, 47]. 이 중 PI3K/AKT 경로가 세포 ROS에 의해 조절돼 미토콘드리아 기능 장애를 초래함이 다수 증거로 제시되었습니다[48, 49]. 활성화 시 AKT가 PI3K에 의해 인산화돼 친세포사멸 단백질 Bax를 비활성화하고 세포를 세포사멸로부터 보호하는 것이 잘 알려져 있습니다. 또한 인산화된 AKT는 MDM2/p53 복합체를 안정화해 세포 생존을 조절합니다[50]. 이 맥락에서 CoFe₂O₄-QDs 유도 ROS 분비에서 PI3K/AKT 경로의 역할을 조사했습니다. 예상대로 CoFe₂O₄-QDs에 의한 과도한 ROS가 PI3K/AKT 경로 발현을 유의미하게 하향 조절해 Bax 활성화와 Bcl-2 비활성화를 통해 종양 세포 세포사멸을 유발함을 확인했습니다. 이 발견은 ROS 억제제 첨가로 PI3K/AKT 발현이 역전되고 ROS 생성이 감소함으로써 추가 확인되었습니다. PI3K/AKT 경로가 특히 암세포에서 세포 생존과 사멸을 조절하는 것으로 알려져 있으므로, CoFe₂O₄-QDs의 NSCLC 살상 메커니즘 이해는 병용 요법 개발에 더 많은 옵션을 제공할 것입니다.

요약하면, 새로운 광감작제 개발을 위해 수열법으로 저비용이고 용이하게 CoFe₂O₄-QDs를 성공적으로 구축했습니다. CoFe₂O₄-QDs는 넓은 NIR 흡수, 좋은 생체 적합성, 광열 변환 능력을 가집니다. 또한 기존 QDs 대비 NSCLC 종양 살상에 시너지 PTT/PDT 효과를 나타내 향후 NSCLC 광치료에서 유망한 다기능 제제가 될 수 있습니다. 게다가 NIR 조사 하 CoFe₂O₄-QDs는 업스트림 PI3K/AKT 신호 경로를 통해 Bcl-2/Bax 발현을 조절하며 ROS 생성을 유도해 NSCLC를 주로 살상합니다. 생체 내 종양 살상 능력 측면에서 CoFe₂O₄-QDs와 NIR 병용이 명백한 독성 효과 없이 NSCLC 종양 이식편을 완전히 제거할 수 있었습니다. 이 발견들은 CoFe₂O₄-QDs가 새로운 NSCLC 살상 시약으로 개발될 유망한 응용 가능성을 가짐을 입증합니다.

결론

종합적으로, 본 연구에서 합성한 CoFe₂O₄-QDs는 PI3K/AKT 경로 조절을 통한 ROS 생성을 유도해 NSCLC 억제에 우수한 PTT/PDT 시너지 효과를 나타내며, 새로운 광감작제 확립을 위한 메커니즘 연구와 응용에 시사점을 제공합니다.

데이터 및 재료 가용성

본 연구 결과를 뒷받침하는 데이터는 합리적 요청 시 교신저자로부터 제공 가능합니다.